电子封装陶瓷基板如何进行表面修饰?

发布时间 | 2023-04-10 11:47 分类 | 粉体加工技术 点击量 | 745
氮化硅 氮化铝 氧化铝
导读:以氧化铝、氮化铝、氮化硅为主流的陶瓷基板是当下电子封装领域不可或缺的基础材料,它们既是芯片和阻容元件的承载体,实现导电和互连的功能,也是芯片的保护体,发挥着抵御服役环境应力冲击及湿...

氧化铝氮化铝氮化硅为主流的陶瓷基板是当下电子封装领域不可或缺的基础材料,它们既是芯片和阻容元件的承载体,实现导电和互连的功能,也是芯片的保护体,发挥着抵御服役环境应力冲击及湿热腐蚀的作用。其具有的与芯片热膨胀系数匹配、耐高温、耐腐蚀、散热能力强、介电常数小、化学性质稳定、结构致密、绝缘性好、成本低廉、适合大规模生产等优点,在快速发展的高可靠电子封装领域有着进一步提升适应性的潜力。

陶瓷基板

依据生产工艺的不同,陶瓷基板有着众多种类,包括直接键合铜陶瓷基板(DBC)、直接电镀铜陶瓷基板(DPC)、高温共烧陶瓷基板(HTCC)、低温共烧陶瓷基板(LTCC)等。

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其中导电浆料是将电路印刷于陶瓷基板上的关键材料,在集成电路和射频电路方面应用较多的厚膜陶瓷基板主要有AuAgWMo等导体浆料体系,而在光电器件、功率器件领域大量使用的DBCDPC基板多是直接采用Cu导体;陶瓷管壳制备以HTCC为主流,通过印刷WMo等高温导电浆料作为导体。

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美中不足的是,这些这些导体在空气中容易氧化,使其润湿性和可焊性变差。而在航空航天、兵器船舶、5G通信、卫星导航等高精尖领域,对电子元器件可靠性的要求极高,因此需要对印刷有导电浆料的陶瓷基板表面进行修饰,形成避免表面导体氧化的屏障层,同时提供一个可供芯片、键合丝焊接的界面。

金属化后的氧化铝基板

金属化后的氧化铝基板

目前,电子封装基板一般通过沉积化学性质稳定的贵金属Au来修饰表面导体,主要采用化学镀镍/浸金(ENIG)化学镀镍//浸金(ENEPIG)这两种工艺。

两种常用的基板表面镀金修饰技术

1.ENIG工艺

ENIG工艺是先在Cu焊盘上化学镀Ni,再通过置换反应在Ni层表面获得一层Au,具有抗氧化性好、存储时间久、平整度高等优点,其工艺流程为:清洗→酸洗→微蚀→活化→化学镀Ni→浸Au。

由于焊盘基材是Cu,表面极易形成不导电的氧化膜,不仅影响导电性,而且不利于化学镀Ni,通过清洗、酸洗步骤初步处理铜焊盘表面,提高表面一致性及润湿性;微蚀粗化铜表面有利于提高后续Ni层的附着力,活化则形成具有催化还原作用的钯晶体层,再进行化学镀Ni到所需厚度;而在化学浸Au过程中,金属镍与溶液中的金离子发生置换反应,Au取代部分Ni而沉积在Ni层表面,直到表层Ni完全被Au取代。

化学镀镍浸金表面处理

化学镀镍浸金表面处理

高可靠器件一般要求Ni层厚度大于5 μm,为了避免焊接时出现“金脆”现象,作为焊盘的镀Au层往往控制得很薄(一般为0.03 ~ 0.15μm)。为了抵抗外界服役环境对金属导体的氧化和腐蚀,一些高可靠性的陶瓷管壳(如三维陶瓷基板)通常对暴露在环境中的金属区域采用较厚的Ni/Au镀层,甚至采用Ni/Au/Ni/Au多层体系,从而达到良好的防腐蚀效果和防底层金属扩散效果。然而镀层并非越厚越好,必须保证化学镀Ni/Au后的线宽和线距都大于60 µm,否则Ni会发生严重交联。

三维基板封装陶瓷管壳

三维基板封装陶瓷管壳

2.ENEPIG 工艺

在上述ENIG工艺中,由于镀Au层很薄,会出现Ni底层在高温作用下沿着Au的晶界加速向Au层表面扩散,氧化生成NiO而使焊盘变色的现象。为了克服 ENIG工艺存在的黑焊盘问题,逐渐发展出ENEPIG工艺,即化学镀镍/钯/浸金工艺,简称镍钯金工艺,其工艺流程为:清洗→酸洗→微蚀→活化→化学镀Ni→清洗→化学镀Pd→清洗→浸Au。

在ENEPIG工艺中,浸Au的置换反应由ENIG工艺中的Au取代Ni转变为由Au取代Pd镀Pd工艺的原理与镀Ni工艺相近

与ENIG工艺相比,ENEPIG工艺作为焊盘表面修饰工艺具有以下诸多优势:

(1)省Au

在Ni和Au层之间插入Pd层能够降低Au层的厚度,不仅节约成本,还能避免厚Au焊盘带来的“金脆”问题,提高焊盘可焊性。同时,增大Pd层厚度可提高焊盘的表面润湿性,减小金属间化合物应力,提高焊接可靠性和力学性能

(2)防止Ni过氧化

ENIG工艺中的黑焊盘问题不容忽视,尤其在高可靠大规模集成电路中,若基板拥有1000个以上的高密度焊盘,即使发生黑焊盘现象的概率较低,也会对整个器件产生致命的影响。在Ni层表面镀Pd可以避免浸Au过程中镀液对Ni晶界的过氧化侵蚀。

(3)阻止Cu/Ni迁移

Pd作为额外的阻挡层,本身化学性质稳定,在400℃以下难以被氧化,化学镀Pd层均匀、致密,可抑制Cu导体和Ni层向Au层表面的热扩散。在后续器件制造和服役过程中,在高温下能够提供一个更稳定的界面。

两种工艺镀层的微观结构

两种工艺镀层的微观结构

两种工艺镀层的常用镀层厚度范围

两种工艺镀层的常用镀层厚度范围

总结

采用贵金属Au来修饰表面导体是行业内常用的提高金属化陶瓷基板可靠性的方法,然而两种工艺在控制不当时也仍会出现腐蚀现象:

(1)导致Ni/Au镀层腐蚀主要有Ni/Au 扩散、杂质腐蚀等因素提高镀Au层致密度,以及减少Ni向焊盘表面扩散是抑制变色的最根本途径。有效手段包括优化抛光研磨技术、发展新型封孔剂、开发新的半置换半还原金技术及研发Ni基合金底层。

(2)Ni/Pd/Au镀层的腐蚀主要由Au层缺陷、镀层剥离、有机污染等原因导致。提高焊盘表面镀层品质,同时预防人为损伤,是防止腐蚀的有效措施;提升基材表面活性,有利于提高底镀层与基材之间的结合强度,避免镀层剥离;有机污染的危害相对较小,一般加强清洗即可。


参考来源:

1.电子封装陶瓷基板表面镀金修饰与腐蚀机理,赵鹤然、曹丽华、陈明祥、康敏、吕锐、王卿(电镀与涂饰);

2.陶瓷基板研究现状及新进展,陆琪、刘英坤、乔志壮(半导体技术);

3.化学镀镍镀钯浸金表面处理工艺概述及发展前景分析,郑莎、欧植夫、翟青霞(印制电路信息);

4.高精度陶瓷基板化学镀多层膜技术研究,吴晓霞、胡江华(电子工艺技术)。


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